陳修龍, 蔡京成, 馬 騰

(山東科技大學 機械電子工程學院, 山東 青島 266590)

“機械設計基礎”課程設計是培養(yǎng)學生設計能力的重要環(huán)節(jié),各高校都十分重視。傳統(tǒng)的課程設計項目大多是減速器,盡管不同專業(yè)的學生可設計不同級數的減速器,但設計題目單一、設計手段也較單一,不利于學生從總體上掌握完整的機械設計過程和掌握虛擬仿真設計新技術。因此,亟需在“機械設計基礎”課程設計中引入實際工程中的多樣化設計對象,利用虛擬仿真技術,培養(yǎng)學生的工程設計能力。

本文以100 kN混合驅動九桿壓力機實驗平臺為“機械設計基礎”課程的設計對象,聯合應用SolidWorks、ADAMS和ANSYS等軟件進行虛擬設計和虛擬仿真。設計內容包括:根據桿長條件確定壓力機連桿和主要零件的基本尺寸,進行壓力機三維建模,對機構進行運動學和動力學仿真分析,得到滑塊的位移、速度、加速度的圖像以及兩曲柄的驅動力矩曲線,設計壓力機實驗平臺的整體結構,對主要零部件進行應力應變仿真分析。

1 混合驅動壓力機實驗平臺的結構與參數設計

混合驅動壓力機采用普通電動機和伺服電動機兩個動力源,其中普通電動機提供壓力機的動力,伺服電動機對壓力機的運動進行調節(jié)?；旌向寗訅毫C與傳統(tǒng)機械式壓力機相比有諸多優(yōu)點,例如滑塊的速度曲線易于調節(jié)、能滿足不同沖壓工藝的要求,功率大、運行平穩(wěn)、節(jié)能環(huán)保。

迄今有關壓力機的研究主要集中于壓力機機構的分析和優(yōu)化設計,包括動力學研究、運動學建模、模塊化設計等方面[1-9],而對于壓力機整機設計,特別是涉及混合驅動壓力機整機設計的研究較少。

本文設計一種二自由度九桿混合驅動壓力機實驗平臺,壓力機的兩個曲柄分別采用普通電動機和伺服電動機驅動。壓力機主要技術參數如下:

公稱壓力:100 kN,

公稱壓力行程(工作行程):6 mm,

滑塊行程:88 mm,

最大沖壓次數:40 次/min,

最大高度:≤1 500 mm。

根據以上的技術參數,考慮桿長條件和工作需求,確定壓力機實驗平臺機構如圖1所示。其中:L1=45 mm,L2=220 mm,L3=200 mm,L4=45 mm,L5=300 mm,L6=230 mm,L7=244.34 mm,L8=280 mm,Hx=70 mm,Hy=230 mm。

圖1 混合驅動壓力機實驗平臺機構

ADAMS是用于機械系統(tǒng)動力學自主分析的虛擬樣機軟件[10-11],可對機構進行運動學和動力學仿真分析[12-13]。利用SolidWorks建立壓力機實驗平臺傳動機構零件的模型,然后將其導入ADAMS中,根據實際工作情況,設置兩曲柄的轉速,進行運動學仿真,得到滑塊的位移、速度、加速度曲線(見圖2—圖4)。在工作行程段,對滑塊施加100 kN的載荷,模擬沖壓時的實際阻力,分別得到兩曲柄空載和負載時的轉矩曲線。圖5和圖6分別為曲柄1空載轉矩和負載轉矩曲線圖。

圖2 滑塊位移仿真圖

圖4 滑塊加速度仿真圖

由圖2位移曲線中可以得到滑塊的總行程為87 mm,其中工作行程為6 mm。由圖3和圖4可以看出,在滑塊接近最大工作行程時速度明顯變小、變緩,這樣在沖壓過程中可以減小滑塊對工件的沖擊,明顯降低工件被撕裂的危險性。

選擇電動機時應從負載的運動、慣量匹配、轉矩和保護電動機等方面綜合考慮[14-15]?；旌向寗訅毫C的伺服電動機的選型原則主要包括以下幾個方面:(1)壓力機工作時,曲柄的轉速應略小于電動機額定轉速; (2)壓力機各部件的慣量之和應與電動機的負載慣量接近; (3)壓力機工作行程段的最大轉矩小于電動機最大轉矩。電動機的型號可以根據曲柄的轉矩來選擇。

圖5 曲柄1轉矩仿真圖(空載)

圖6 曲柄1轉矩仿真圖(負載)

在非工作行程段,壓力機實驗平臺的負載主要為傳動機構各零件自身的重力,以及轉動副之間的摩擦,負載較小;在工作行程階段,要求壓力機實驗平臺的最大轉矩小于伺服電動機的最大轉矩。如圖6所示,曲柄1上最大的轉矩為1.512 kN·m。若選擇傳動比為36,則：

(1)

式中:Md為電動機的扭矩;Mq為曲柄上的扭矩;i為傳動比。

根據式(1)，電動機的最大轉矩不小于42 N·m。電動機的功率為

P=F·v

(2)

式中:P為電動機的功率;F為工作壓力;v為工作行程的速度。

(3)

式中:P為電動機功率(kW);T為曲柄轉矩(N·m);n為曲柄轉速(r/min)。

根據壓力機實驗平臺預定的工作要求,令v≤25 mm/s,F=100 kN,由式(2)可得電動機功率為2.5 kW。在壓力機實驗平臺工作過程中,轉動副之間會發(fā)生摩擦,所以電動機的功率應大于計算的結果,以滿足工作需求。綜合上述結果,電動機最大轉矩要大于42 N·m,額定功率要大于2.5 kW。通過對比,確定在曲柄1處使用臺達ASD-B2-3023-B型伺服電動機,技術參數為:額定電壓220 V,額定功率3 kW,額定轉矩19.1 N·m,瞬時最大轉矩57.29 N·m,額定轉速1 500 r/min,最高轉速3 000 r/min。

同樣,可根據轉矩圖得到曲柄4上所需的扭矩必須大于1.578 kN·m,電動機功率約為6.6 kW。可以選擇配套的二級行星齒輪減速機,減速比為18。曲柄4處選擇Y160L-8電動機,技術參數為:同步轉速750 r/min,滿載轉速720 r/min,額定功率7.5 kW,額定轉矩2.0 kN·m,質量145 kg。

混合驅動九桿壓力機實驗平臺采用開式焊接機身[16],伺服電動機安裝于機身的一側。為保持機身的穩(wěn)定性,初步設計機身寬度為420 mm,長度775 mm,高度1270.7 mm。根據機身各處受力大小的不同,對受力大的位置選用較厚的鋼板。沖壓空間處受力較大,因此在直角連接處添加筋板,提高連接處的強度。機身材料為Q235鋼板。

通過對混合驅動壓力機實驗平臺傳動機構和機身的設計，以及對電動機的選型,在Solidworks中對壓力機實驗平臺進行了組裝建模。壓力機實驗平臺整體結構如圖7所示。

圖7 混合驅動壓力機實驗平臺整體結構

2 主要部件的有限元仿真

運用ANSYS對壓力機實驗平臺主要受力零部件和機架做結構靜力分析,測試結構的強度和剛度,從而優(yōu)化結構。將Solidworks中建立的零件以及機架模型導入ANSYS中,結合從ADAMS所測得的數據,對被測模型合理劃分網格、添加載荷,得到了零件的測算云圖。

根據ADAMS仿真結果,壓力機實驗平臺在沖壓的工作段機身受力最大,由圖6曲柄負載轉矩圖可知,擺桿的最大合力為100 kN,最大支撐力為36.997 kN。將機身底板進行固定,根據ADAMS曲線圖,可得到作用在機身上力的方向,求解得到機身的應力分布云圖和總體位移云圖。

由圖8可以看出,應力集中主要出現在肋板位置,最大應力為45.501 MPa。對機身取安全系數為3,機身材料Q235鋼板的許用應力為78.33 MPa。由于壓力機實驗平臺的機身為多塊板材焊接而成,而且工作時受到交變應力的作用,因此一般開式機身的許用應力約為50 MPa[15]。通過添加肋板可以減小應力集中。除肋板位置,其他部分應力均低于30.334 MPa,使其在安全范圍之內。

圖8 機身應力分布云圖

由圖9可以看出,最大變形出現在機身頂端,最大值為0.345 51 mm,變形大小在許可范圍之內。

曲柄所用的材料為45鋼,屈服強度為360 MPa,選取安全系數為3,許用應力為120 MPa。由圖10可知,應力集中出現在圓角處,曲柄1最大應力值為32.792 MPa。為了減小應力集中,采用增大圓角的方式進行改進。曲柄1其他部分應力均小于21.862 MPa因此該設計可以滿足要求。

由圖11可知,曲柄的最大變形均位于曲柄頸部,曲柄1變形大小為11.586 μm。

圖9 機身整體位移云圖

圖10 曲柄1應力分布云圖

圖11 曲柄1整體位移分布云圖

壓力機實驗平臺在工作時,連桿的受力主要沿桿長方向,交替受到拉伸和壓縮。對于擺桿,在上部軸瓦面處施加固定約束,在下部鉸接處施加載荷,進行求解。由圖12可知,擺桿大部分應力低于40.251 MPa,只有擺桿下端鉸接處出現最大值為72.409 MPa的應力集中。取安全系數為3,許用應力為120 MPa,則零件設計可以滿足要求。由圖13可知,其最大變形量為10.232 μm,出現在擺桿下端鉸接處,變形在許可范圍內。

圖12 擺桿應力分布云圖

圖13 擺桿位移分布云圖

3 結語

混合驅動九桿壓力機實驗平臺的虛擬仿真設計為虛擬仿真技術在“機械設計基礎”課程設計中及工程實際中的應用奠定了基礎。利用ANSYS對實驗平臺的主要部件進行了有限元分析,驗證了本設計能夠滿足剛度、精度、可靠性等性能要求。該虛擬仿真課程設計可為“機械設計基礎”課程設計的教學改革和新一代壓力機的設計與制造提供參考。